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Banda passante di un amplificatore Hi-Fi

Premessa:

Per banda passante di un amplificatore si intendono tutte le frequenze, dalla più bassa alla più alta che vengono amplificate in modo uniforme dall'amplificatore, con una tolleranza di 3dB.
Molti sono i fattori che influenzano la banda passante, come l'accoppiamento e la controreazione.
Un amplificatore per essere definito Hi-Fi deve avere una banda passante che va da 20Hz a 20.000Hz.
Normalmente quando si progetta a tavolino un amplificatore si fa in modo di avere un margine più alto possibile.

Circuito per il rilievo della banda passante di un amplificatore audio.

Circuito per il rilievo della banda passante di un amplificatore audio

Quello riportato sopra è il circuito generico per il rilievo della banda passante di un amplificatore audio.
Come vedete all'ingresso dell'amplificatore è stato posto un generatore sinusoidale (o generatore di funzioni) a frequenza variabile in grado di coprire almeno tutta la banda delle frequenze audio.
La tensione in uscita da detto generatore deve essere il 50% di quella massima indistorta.
In uscita un voltmetro in corrente alternata per rilevare i dati di tensione all'uscita per ogni singola frequenza di prova.
Il grafico viene fatto mettendo in ascissa il valore della frequenza e in ordinata la tensione in uscita.
In genere al posto del voltmetro in uscita si utilizza un oscilloscopio a doppia traccia in cui sulla prima traccia viene visualizzato il segnale in ingresso, con il duplice scopo di controllare la tensione del segnale in ingresso e di controllare lo sfasamento fra il segnale in ingresso e quello in uscita.

Banda passante di un amplificatore audio

Nell'immagine sopra la tipica banda passante di un amplificatore con evidenziati gli elementi che la determinano.
Come si può vedere la f1 è determinata dai vari filtri passa-alto dovuti all'accoppiamento fra i vari stadi e al trasformatore di uscita nel caso di un amplificatore finale che è di per se un filtro passa-alto, mentre f2 è determinata dalle capacità verso massa che costituiscono un filtro passa-basso.
Si tratta normalmente di capacità parassite difficili da togliere come ad esempio le capacità interelettrodiche del triodo, a meno di non riprogettare tutto l'amplificatore con componenti diversi.

In alcuni casi la banda passante può essere "corretta" con degli artifizi come ad esempio aumentare l'amplificazione dell'amplificatore a determinate frequenze con dei filtri di compensazione sulla reazione negativa allo scopo di compensare l'attenuazione alle frequenze di taglio.
Comunque, di norma basta progettare bene il tutto e il problema non si presenta.

La misura della frequenza di taglio

La frequenza di taglio si determina misurando la tensione di uscita dell'amplificatore a centro banda (di solito a 1000 Hz), poi si varia la frequenza del segnale in ingresso fino a che non si trova il punto in cui la tensione di uscita scende di 3dB o è uguale alla tensione di centro banda divisa per radice di 2.
Se la banda passante non comprende al suo interno le frequenze di 20 Hz e 20 KHz, allora l'amplificatore non si può definire hi-fi.
Questo è giustificato dal fatto che l'orecchio umano non è in grado di percepire una differenza di volume inferiore di 3dB.

Banda passante sistema biamplificato

Nella figura sopra la banda passante di un sistema biamplificato.
Come è possibile dedurre dal disegno si tratta di due amplificatori che concorrono ad amplificare il segnale, il primo, quello che ha banda passante f2-f1 amplifica i bassi, mentre quello che ha banda passante f4-f3 amplifica gli acuti.
La somma algebrica delle due tensioni nei punti in cui le curve si sovrappongono, fornisce la banda passante risultante, che si estende da f1 ad f4.
La frequenza fi è detta frequenza di incrocio, è il punto in cui le due curve si toccano.
Difficilmente si ha una sovrapposizione perfetta come quella del disegno, normalmente a causa delle tolleranze dei componenti le frequenze di taglio dei filtri che dividono le frequenze non sono mai precise, a meno che non si usino componenti selezionati a bassa tolleranza.

Componenti che influenzano le frequenze di taglio

Amplificatore single ended e banda passante

Nell'immagine sopra nei cerchi rosa sono evidenziati i filtri presenti in un amplificatore single-ended su cui è possibile agire per migliorare la banda passante.
Sono stati volutamente trascurati i filtri dovuti alle capacità interelettrodiche su cui non abbiamo nessun tipo di controllo in quanto facenti parte dei "difetti" congeniti della valvola utilizzata e che in genere non hanno una grande influenza quando si parla di audiofrequenze.
I filtro dovuti alle capacità interelettrodiche purtroppo non sono migliorabili.
F1 è un filtro passa alto.
F2 è un filtro che agisce sulla controreazione locale della valvola EL34, alle basse frequenze la resistenza da 180Ω non viene più bypassata per quello che riguarda la componente alternata della corrente che la attraversa introducendo una reazione locale che riduce il guadagno per le basse frequenze.
F3, il trasformatore d'uscita, si comporta come un filtro passa alto alle basse frequenze, poi si comporta come un filtro passa basso alle alte, per via delle capacità fra le spire, sia del primario che del secondario.
Il trasformatore in pratica un filtro passa banda.
L'ampiezza della banda di un trasformatore è funzione delle caratteristiche costruttive e della qualità della ralizzazione.

Amplificatore a catodo comune e banda passante

Nel preamplificatore nella figura sopra la banda passante dovuta alla scelta dei componenti esterni è funzione del filtro passa-alto C1-R1 e C3-R4 (dove R4 è in realtà il valore della resistenza di ingresso dello stadio successivo) e del filtro C2-R2 che influenza la controreazione locale in corrente del triodo V1.
Giocando sul valore dei componenti che compongono questi filtri è possibile modificare il valore della frequenza di taglio inferiore.

Banda passante e controreazione

In genere la controreazione è direttamente proporzionale alla banda, quindi aumentando la controreazione diminuisce l'amplificazione e aumenta la banda passante.
Questo concetto ne introduce un altro, che è la banda passante a guadagno unitario, ovvero la banda passante di un amplificatore quando la controreazione lo forza ad avere un guadagno pari a 1.
Questo valore è fondamentale per capire il funzionamento degli amplificatori operazionali e in qualche misura è valido per capire la dipendenza di guadagno-controreazione-banda passante di tutti gli amplificatori.

Limitazioni volute della banda passante

Può succedere che la banda passante di un amplificatore sia eccessiva per l'uso al quale è destinato.
Questo può essere dovuto a caratteristiche del suono da amplificare o a caratteristiche limitative di uno dei componenti della catena audio.
Per esempio, se abbiamo delle casse che hanno una frequenza minima riprodotta di 50Hz è inutile e dannoso per l'incolumità degli altoparlanti avere un amplificatore che amplifica fino a 20 Hz.
Così come è inutile e dannoso amplificare frequenze troppo alte per la gamma audio, potremmo amplificare un disturbo ultrasonico e bruciare i twitter senza neanche rendercene conto.
Quindi in genere gli amplificatori sono corredati da filtri che limitano in modo voluto la banda passante qualora sia eccessiva a volta azionabili intenzionalmente con dei commutatori.
Discorso a parte meritano gli amplificatori destinati ad amplificare una gamma di frequenze molto limitata, come nei sistemi attivi di multiamplificazione in cui vi è un amplificatore che amplifica i bassi e uno che amplifica i medio-alti con dei filtri attivi a molte.
Questo permette di eliminare il filtro crossover e alimentare direttamente gli altoparlanti.
Per quello che riguarda invece gli amplificatori per strumenti, in genere rispecchiano le caratteristiche dello strumento da amplificare anche per quello che riguarda la banda passante.

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